El espectrofotómetro es un instrumento que proyecta una línea de sol monocromática, es decir, de un solo color y traspasa una muestra o sustancia para conocer su nivel de absorción. En el artículo de hoy, nos dedicaremos a explorar con mayor profundidad este dispositivo y sus aspectos fundamentales.
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¿Qué es un Espectrofotómetro?
El espectrofotómetro es un instrumento que posibilita la comparación entre la radiación u onda de luz absorbida o proyectada por una sustancia, en la que su cantidad de disolvente es desconocida pero la concentración de su solución es conocida.
En la actualidad existen diferentes modelos del instrumento, no obstante, los más comunes son de absorción atómica o lo que se conoce como espectrofotómetro de masa. Este último que es el que abarcaremos en este artículo y realiza la función de proyectar una línea de luz de un solo color a través de una sustancia, con el fin de medir la cantidad de absorción de dicha luz por parte de la muestra. Al hacer esto, permite al investigador lo siguiente:
- Dar a conocer todo la información pertinente sobre la sustancia utilizada como muestra.
- Indicar de manera indirecta, la cantidad de masa que está cumpliendo con esta labor en la muestra.
¿Cuáles son sus partes?
El espectrofotómetro está desarrollado a partir de la unificación de otros dos dispositivos: un espectrómetro y un fotómetro. En este apartado explicaremos en qué consiste cada uno de ellos a profundidad y cuál es su tarea a realizar en conjunto con este instrumento.
Espectrómetro
El espectrómetro, es un instrumento que permite realizar un análisis acerca del espectro de frecuencias característico de un movimiento ondulatorio, es decir, permite percibir la cantidad de veces que se presenta la onda característica de un color. El mismo puede integrarse en una gran variedad de otros instrumentos, cuyo fin sea medir las longitudes de onda de alguna luz.
Siguiendo esta misma línea de ideas, este aparato también contribuye con el estudio sobre una proyección de luz determinada del espectro electromagnético, este el nombre que recibe la distribución de las ondas de luz. La variable que por lo general suele explorarse en ese instrumento es la intensidad luminosa, no obstante, no está limitado el campo de estudio, por ejemplo se puede abarcar también la polarización electromagnética, que corresponde a otra propiedad de la onda de luz.
Se toma como variable independiente de la longitud de onda por lo general y es medida en los submúltiplos del metro, no obstante, en algunas oportunidades la misma puede verse expresada según la energía del fotón, como por ejemplo la frecuencia o los electrón-voltios que mantienen una relación inversa con la longitud de onda.
Algo que cabe acotar, es que debido a las diferentes técnicas y modelos que existen para poder medir la intensidad del espectro, este instrumento por sí solo no puede medir más allá de un campo reducido. Por consiguiente, este analizador se puede comparar en cierta medida con otros aparatos que tienen o miden las longitudes de ondas, como los microondas, por ejemplo.
El fin habitual de esta herramienta por lo general es explorar las emisiones que realiza cualquier elemento al absorber o emitir fotones energéticos. Estas emisiones son imperceptibles al ojo humano y a otros aparatos como los infrarrojos, por lo que este dispositivo brinda una perspectiva más clara de las ondas emitidas.
Es pertinente exponer también, que dependiendo de la composición química de los elementos las emisiones de luz pueden variar, por lo que las descargas que se emplean dependerán justamente de esta composición, dicha descarga por lo general no suele ser muy grande. Un ejemplo de esto surge en el año 1920, cuando el científico Niels Bohr redactó sus suposiciones con base en la descarga energética que le dio a un átomo de hidrógeno, lo que dio pie para iniciar el desarrollo de este instrumento.
Fotómetro
De una manera general, este aparato está destinado para medir la intensidad de la luz. Por lo tanto, es una herramienta empleada en el área de la fotometría, que es una rama de la astronomía dirigida al estudio del brillo de distintos astros (estrellas, planetas, entre otros). Este dispositivo es capaz de detectar lo siguiente:
- Intensidad de luz dispersa: es la porción de luz que se disipa cuando entra en contacto con la atmósfera de la tierra.
- Absorbencia: Esta posee dos definiciones que abarcan el mismo concepto, es la intensidad de la luz que proyecta la longitud de su onda, la diferencia radica en el momento, ya que puede ser antes de impactar con la muestra o después de hacerlo.
- Fluorescencia: Es una propiedad característica de aquellas sustancias que pueden absorber las radiaciones de luz emitidas.
En el ámbito de la astronomía, hay dos modelos importantes de este dispositivo: el fotómetro fotoeléctrico y el fotómetro CCD. El primero de estos, en la actualidad se encuentra descontinuado, esto se debe a que el segundo posee numerosas ventajas que el modelo anterior no tenía, como por ejemplo: linealidad, precios más reducidos, mayor fiabilidad, amplia respuesta al espectro electromagnético, mayor precisión, etc.
En resumen, el espectrofotómetro no solo permite medir la luz visible, sino también los rayos infrarrojos y los rayos ultravioleta en las películas de vidrio. De igual manera, este dispositivo se encuentra en diversos campos fuera de la astronomía, puesto que se ha encontrado que puede contribuir de gran manera a los lentes de las cámaras fotográficas.
Componentes de un Espectrofotómetro
En este instrumento, además de estar conformado por los otros dos aparatos, se involucran otros dispositivos para poder llevar a cabo su funcionamiento de manera eficiente. En esta sección hablaremos a detalle sobre estas herramientas, que en conjunto desempeñan el trabajo para el cual este instrumento fue desarrollado.
Fuente de luz
Se refiere a la línea de luz que traspasa la sustancia de muestra para el estudio, la misma debe cumplir con ciertas cualidades para que pueda emplearse de la mejor manera, estas se refieren a: estabilidad de la onda lumínica, su direccionalidad debe ser precisa, al igual que su expansión debe ser larga y continua.
Para poder cumplir con dichas características, las ondas de luz deben ser proyectadas desde una lámpara hecha del material wolframio o en su defecto, tungsteno. No obstante, si no es posible emplear alguna de las mencionadas, también son útiles aquellas cuyo arco sea de xenón o hechas de deuterio, estas últimas por lo general son usadas en laboratorios.
Monocromador
Este dispositivo cumple con la función de medir la composición de la luz, según la distribución de sus ondas lumínicas. Lo que hace es despejar las radiaciones de luz que se desea para así poder crear la luz monocromática, es decir, de un solo color. El mismo está compuesto por las rendijas de entrada y salida, colimadores y el elemento de dispersión.
Un colimador es el dispositivo que se encarga de proyectar la línea de luz, pero también crea una paralela, el mismo se ubica entre las rendijas de entrada y salida del instrumento. Está compuesto por un lente que proyecta la línea de luz hacia un prisma, donde la misma se devuelve por la rendija de la salida, generando de esta forma la segunda luz paralela.
Compartimento de muestra
En el espectrofotómetro, este es el lugar en donde se lleva a cabo la interacción entre la luz y la sustancia, se debe tener presente que en el lugar donde esto se realice no debe haber elementos que absorban o dispersen las ondas de luz. También es importante destacar para estos casos que para una mayor cantidad de absorción de la luz se requiere una mayor cantidad de concentración de la sustancia a utilizar.
Detector
Es aquí donde la radiación que emite la luz es transformada en energía eléctrica. Este dispositivo integrado en el instrumento que se encarga de poner en evidencia la radiación producida por la luz, para luego ser estudiada y determinar qué clase de respuesta tiene, es decir, fotones o calor.
Fotodetectores
Este es el componente más importante del espectrofotómetro, el mismo determina su calidad para realizar la tarea para la que fue diseñado. Estos aparatos están encargados de cumplir como filtros para la luz emitida por las fuentes empleadas, ellos solo permiten pasar radiaciones con una longitud de onda determinada.
En las versiones actualizadas de este instrumento se pueden encontrar al menos unos 16 fotodetectores encargados para detectar la señal en 16 longitudes de onda diferentes, cubriendo el espectro visible. Lo que sirve de ayuda para reducir el tiempo de la medición y minimiza el empleo de las partes móviles del instrumento.
Celdas
Las celdas o también denominadas cubetas, son dos tubos de vidrios sellados por uno de los dos extremos, suelen presentar un tamaño pequeño en donde se disponen las muestras. En una de ellas se ha de colocar la sustancia con la que se precisa trabajar, mientras que en la otra la sustancia agregada debe ser solo de referencia, sin embargo ambas deben ser iguales.
Historia del Espectrofotómetro
Este instrumento fue inventado en el año 1940, por el científico Arnold Beckman, quien se inspiró porque los espectrofotometros que existían para entonces no tenían un funcionamiento con la luz ultravioleta, de modo que Beckman se encargó de diseñarlo.
El mismo poseía también una compañía que se encontraba en funcionamiento desde los años 1935, se llamaba National Technical Laboratories Company y el desarrollo de este instrumento fue el logro más grande para la empresa.
Diez años después, en 1950 este instrumento se empieza a utilizar por todo Estados Unidos. Este dispositivo también sacó del mercado a los aparatos comparadores de colores, haciendo que los resultados obtenidos por el mismo fueran más confiables que el resto y optimizando también la exactitud con respecto a su medida.
Durante su desarrollo se crearon cuatro modelos de espectrofotómetro, identificados como: A, B, C y D; donde C fue el que tuvo mayor auge a pesar de que se necesitaban ajustar ciertos detalles con respecto a las mediciones. Durante los años 1941 y 1976, este instrumento fue producido en gran cantidad y dentro de él se encontraban integrados lectores para la luz ultravioleta que fue lo que impulsó su desarrollo para su momento.
Con respecto a los otros modelos mencionados. Al diseño B se le integró un prima de cuarzo en lugar de cristal como su anterior modelo, en cuanto a la versión C el ajuste realizado fue en favor del registro de la longitud de onda, haciéndolo más elevado con respecto a la ultravioleta y el modelo D fue diseñado con una lámpara de hidrógeno, junto a otras modificaciones de la versión C.
En la actualidad, el primer uso que se le dio a este instrumento fue en ámbito de la pintura, más en especifico a la parte industrial de ella. El fin central de este artefacto en la industria era hacer que las pinturas fueran lo más similares y precisas posibles, con la idea de reducir el uso de la pintura cuando se necesitara un segundo retoque.
Funciones de este instrumento
Tal y como hemos podido evidenciar hasta el momento, este instrumento proporciona información relevante acerca de la naturaleza de la muestra estudiada. Esto se puede apreciar al realizar un estudio acerca de la absorbencia de la sustancia a distintas longitudes de la onda de luz, luego de esto se procede a hacer un espectrograma a partir de los valores arrojados. Como cada una de las sustancias tiene sus propios componentes, dichos espectrogramas no serán los mismos.
Aunado a lo anterior, cada una de las sustancias posee una secuencia de átomos que es única para todas ella. Por lo que al entrar en contacto con la luz producida por este instrumento, algunos de los electrones de la sustancia generan moléculas especiales que se encargan de absorber la radiación emitida por la fuente. Cuando se logra recuperar su estructura normal, la luz emitida de la sustancia es en forma de fotones.
Dicha emisión de fotones también es única para cada sustancia empleada, de modo que forma un patrón particular que variará de acuerdo a las longitudes de las ondas. Dependiendo de lo largo de la onda de luz, será la cantidad de energía absorbida por la sustancia, lo que dará los resultados necesarios para realizar un gráfico que represente la absorción real de la misma.
Además, el espectrofotómetro determina la cantidad de sustancia absorbe la luz de la muestra. La concentración de la sustancia es equivalente a la absorción, esto según la Ley Beer-Lambert, donde se establece que: »A mayor cantidad de moléculas presentes en la muestra, mayor será la cantidad de energía absorbida por sus electrones», es decir, cuanto mayor sea la cantidad de sustancia de la muestra, mayor será la cantidad de absorción de luz.
Entonces, el espectrofotómetro mide la capacidad de absorción de una muestra en los espectros de luz ultravioleta y visible (200 a 850 nm); lo que determina el largo de la onda es el prisma que se encarga de descomponerlo hasta el largo seleccionado. Una vez hecho esto, la luz pasa por la hendidura que determinará su intensidad. Después llega a la muestra y sigue hasta el tubo fotográfico donde es medido.
Una característica importante del instrumento es la necesidad de »blanquear» los registros antes de volverlo a utilizar. Para ello, se requiere poner en una de las celdas, una solución de control que no sea la misma que se pretende medir en la investigación y luego bajar la absorbencia a cero.
Este procedimiento se hace con el fin de quitar cualquier tipo de absorbencia externa que quede y pueda afectar a los resultados del estudio posterior. Todas las moléculas de las sustancias presentan un cierto grado de absorbencia, puesto que todas en su composición poseen elementos iguales en su estructura. Sin embargo, para que se pueda proporcionar una estructura confiable debe estar lo más libre de sesgo posible.
Leyes que sustentan su aplicación
Este instrumento es utilizado en el campo de espetrofotometría, que es el responsable de realizar estudios para medir la cantidad de luz absorbida por diferentes tipos de sustancias. Por ende, existen ciertas leyes físicas que rigen a este instrumento, en este apartado daremos un breve pero detallado recorrido por todas ellas.
Ley de la refracción
Esta ley está fundamentada en el cambio de dirección que realiza una onda de luz al atravesar de un objeto material a otro. No obstante, este fenómeno solo sucede si la onda que atraviesa de manera oblicua sobre la superficie de este material posee algún espacio que sea distinto a los otros. Esta ley suele verse especialmente cuando se trata de ondas electromagnéticas.
Ley de Huygens (teoría ondulatoria de la luz)
En estrecha relación con la ley descrita anteriormente, este científico propuso leyes que se cumplen cuando todo el movimiento de la luz se da de manera ondulada. Dichas leyes son las siguientes:
- En el instrumento existen tres tipos de rayos: el que incide en la muestra, el que se refleja y el que resulta de la refracción. Los primeros dos rayos que fueron mencionados, se ubican en el mismo lugar de la sustancia y poseen las mismas características.
- Define también lo que se conoce como reflexión, entendiendo que la misma representa el cambio de dirección que da la onda de luz al estar en contacto con una superficie de separación.
Ley de Lambert
Esta ley habla acerca de la iluminación que posee una superficie a cierta distancia de la fuente de luz. La misma dicta que la iluminación hecha por cualquier fuente de luz sobre una superficie es proporcional a la intensidad de su fuente y al ángulo de la misma, de esta manera es inversamente proporcional a la distancia de ella.
Ley de Lambert-Beer
La ley de Lambert-Beer es una de las leyes más importantes por las que se rige este instrumento, la misma plantea lo siguiente: «A mayor concentración, mayor absorbancia» lo que en otras palabras se traduce como que la cantidad de luz que es recibida por un sustancia cualquiera, dependerá de la cantidad de concentración de la misma como muestra.
Tomemos lo siguiente como un ejemplo para ilustrar esta ley: En un vaso con agua se disuelve cierta cantidad de azúcar y en otro vaso está la misma cantidad de agua pero la porción agregada de azúcar es mayor. La parte del instrumento que se conoce como el detector es una celda fotoeléctrica, y lo que mide en ella es la cantidad de concentración de azúcar en el agua del vaso.
Según la ley de Beer, si un rayo atravesara cada uno de estos vasos, la cantidad de luz que saldría del otro lado sería mayor en el que contiene más azúcar, ya que en este último las ondas electromagnéticas chocan contra un mayor número de átomos o/y moléculas y son absorbidas por estos.
Usos del Espectrofotómetro
Como hemos podido ver hasta este momento, el espectrofotómetro tiene diversos usos y aplicaciones en el ámbito de la investigación científica de laboratorio. Entre ellos se pueden mencionar los siguientes puntos:
- Se emplea para realizar análisis de carácter cuantitativo y cualitativo acerca de distintas sustancias químicas desconocidas.
- Permite estandarizar los colores utilizados para distintos productos, como las pinturas y los cosméticos.
- Es empleado en la actualidad como un recurso invaluable para poder detectar la contaminación en las aguas.
- Permite conocer la concentración de impurezas existentes en los alimentos.
Ha sido todo por el artículo de hoy. Esperamos que la información proporcionada le haya sido de gran ayuda, le invitamos a leer también: Reloj de Sol y Radiación